Transcriptome analyses provide insights into the expression pattern and sequence similarity of several taxol biosynthesis-related genes in three Taxus species
- 作者
- Ting Zhou, Xiujun Luo, Chunna Yu, Chengchao Zhang, Lei Zhang, Yao-bin Song, Ming Dong, Chenjia Shen
- 单位
- College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; Zhejiang Provincial Key Laboratory for Genetic Improvement and Quality Control of Medicinal Plants, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; Department of Plant Pathology, Washington State University, Pullman, WA 99164-6430, USA; Key Laboratory of Hangzhou City for Ecosystem Protection and Restoration, College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China
- 杂志
- BMC Plant Biology（2019）
- DOI
- 10.1186/s12870-019-1645-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
紫杉醇在不同红豆杉种间的积累差异显著，但其分子机制尚不清楚，需通过比较转录组分析阐明差异表达基因和序列相似性与紫杉醇含量差异的关系。
研究策略
对三种红豆杉（T. media、T. mairei、T. cuspidata）进行转录组测序，分析紫杉醇生物合成相关基因的差异表达，重新组装MEP途径基因序列并进行系统发育分析，同时分析JA相关转录因子表达。
核心内容
为探究紫杉醇在三种红豆杉（T. media、T. mairei、T. cuspidata）中积累差异的分子机制，本研究对三种红豆杉进行转录组测序，共获得67.49 Gb数据、52,261条转录本和33,895条unigenes。通过比较差异表达基因、重新组装MEP途径基因序列并进行系统发育分析，发现T. cuspidata紫杉醇含量最高（1.67 mg/g DW），T. mairei最低（0.66 mg/g DW）。MEP途径中大多数基因在T. media中表达最高，而紫杉二烯合酶（TS）在T. cuspidata中优势表达；T. media与T. cuspidata的MEP途径蛋白序列相似性较高。此外还鉴定出48个JA相关转录因子基因。结果表明，紫杉醇生物合成相关基因的差异表达及MEP途径基因的序列多样性，是导致三种红豆杉紫杉醇积累差异的重要原因，为筛选高产红豆杉和理解种间差异机制提供了依据。
创新点
基于独立转录组重新组装了MEP途径多个基因的全长序列；比较了三种红豆杉中紫杉醇生物合成相关基因的表达模式和序列相似性；揭示了JA相关转录因子在不同种间的差异表达。
研究对象（23）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶 | 催化 | 前体供应 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | MEP途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 前体供应 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | MEP途径 | MCT | 2-C-甲基-D-赤藓醇4-磷酸胞苷酰转移酶 | 催化 | 前体供应 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | MEP途径 | CMK | 4-(胞苷5-二磷酸)-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | 前体供应 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | MEP途径 | MDS | 2-C-甲基-D-赤藓醇2,4-环二磷酸合成酶 | 催化 | 前体供应 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | MEP途径 | HDS | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸合酶 | 催化 | 前体供应 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | MEP途径 | HDR | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | 前体供应 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | MEP途径 | IPPI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 前体供应 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | MEP途径 | GGPPS | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 前体供应 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 紫杉醇生物合成途径 | TS | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 紫杉烷核心环化 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 紫杉醇生物合成途径 | T13OH | 紫杉烷13α-羟化酶 | 催化 | 羟基化 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 紫杉醇生物合成途径 | T10OH | 紫杉烷10β-羟化酶 | 催化 | 羟基化 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 紫杉醇生物合成途径 | T14OH | 紫杉烷14β-羟化酶 | 催化 | 羟基化 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 紫杉醇生物合成途径 | T7OH | 紫杉烷7β-羟化酶 | 催化 | 羟基化 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 紫杉醇生物合成途径 | T2OH | 紫杉烷2α-羟化酶 | 催化 | 羟基化 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 紫杉醇生物合成途径 | T5OH | 紫杉二烯5α-羟化酶 | 催化 | 羟基化 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 紫杉醇生物合成途径 | DBAT | 10-去乙酰巴卡亭III-10-β-O-乙酰转移酶 | 催化 | 巴卡亭III形成 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 紫杉醇生物合成途径 | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | C13侧链组装 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 紫杉醇生物合成途径 | Benzoyl CoA transferase | 2-脱苯甲酰-7,13-二乙酰巴卡亭III-2-O-苯甲酰转移酶 | 催化 | C13侧链组装 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 茉莉酸信号通路 | MYB | MYB转录因子 | 调控 | JA应答相关 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 茉莉酸信号通路 | ERF | ERF转录因子 | 调控 | JA应答相关 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 茉莉酸信号通路 | RAP | RAP转录因子 | 调控 | JA应答相关 |
| Taxus media, T. mairei, T. cuspidata | 茉莉酸信号通路 | VTC | VTC转录因子 | 调控 | JA应答相关 |
关键发现
- T. cuspidata紫杉醇含量最高（1.67 mg/g DW），T. mairei最低（0.66 mg/g DW）
- 共获得67.49 Gb数据，组装出52,261条转录本和33,895条unigenes
- 差异表达基因数量：T. media vs T. cuspidata为4726/3030（上/下调），T. media vs T. mairei为6750/8095，T. mairei vs T. cuspidata为6143/9060
- 多个紫杉醇生物合成相关GO项显著富集，如GO:0042617 P=1.05E-9
- MEP途径中大多基因在T. media中表达最高，而taxadiene synthase在T. cuspidata中优势表达
- 系统发育分析显示T. media与T. cuspidata的MEP途径蛋白序列相似性高
- 鉴定了48个JA相关TF基因，其中10个MYB、5个ERF、4个RAP、3个VTC等。
研究结论
紫杉醇生物合成相关基因的差异表达及MEP途径基因的序列多样性可能是导致三种红豆杉紫杉醇积累差异的重要原因，为筛选高产红豆杉和理解种间差异机制提供了依据。